物理・化学・数理から理解する生命科学

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序章　物理・化学・数理的な生命のみかた

1章　生体分子：細胞をつくりあげる物質群

1.1　細胞を構成する有機化合物

1.2　タンパク質

タンパク質は複雑な立体構造を形成して機能を発揮する

例題1-1：タンパク質の分子量と等電点

[Biological Insights] なぜ分子量や等電点に注目するのか

電気泳動という実験方法

例題1-2：タンパク質の電気泳動パターンと分子量

1.3　脂質

例題1-3：生体膜を構成する脂質分子の個数

[Biological Insights] 生体膜とリポソーム

1.4　糖

1.5　核酸

演習　生体分子が情報を伝達する

演習1：情報伝達物質と受容体の結合定数

1章　まとめ

課題　タンパク質の構造表示

課題1：プリオンの構造をウェブ上で観察する

立体構造ビューア

[Biological Insights] タンパク質の立体構造の変化と線維化

2章　生命活動の駆動力:代謝と自由エネルギー

2.1　生命活動と自由エネルギー

例題2-1：ATPの自由エネルギー

[Biological Insights] 生体内におけるATP

例題2-2：代謝反応の自由エネルギーと平衡定数

[Biological Insights] 解糖系・糖新生・光合成で機能するGAPDH反応

2.2　自由エネルギーの保持物質としてのATPとNAD（P）H

例題2-3：酸化還元電位

[Biological Insights] 代謝のエネルギー効率は非常によい

2.3　基本的な代謝系

解糖系

クエン酸回路

光合成の炭素固定回路（カルビン-ベンソン回路）

2.4　酵素

酵素は2種類の特異性をもつ

酵素反応の特徴

2.5　酵素活性の調節

アロステリック制御

リン酸化による酵素活性の調節

演習　酵素反応のキネティクス

演習2-1：ミカエリス-メンテンの式の導出と実験データへの適用

[Biological Insights] 地球上で最も多い酵素RubisCO

演習　代謝系のキネティクス

演習2-2：一定の基質供給がある酵素反応

2章　まとめ

課題　酵素反応のシミュレーション

課題2：一定の基質供給がある酵素反応のシミュレーション

3章　遺伝情報

3.1　情報分子としての核酸

遺伝情報を担うDNAの特性

3.2　遺伝子

ゲノムと染色体と遺伝子

遺伝子型と表現型を区別して考える

3.3　DNAの複製

複製には鋳型とプライマーが必要である

複製とポリメラーゼ連鎖反応（PCR）

例題3-1：複製のしくみ―PCRを例に

[Biological Insights]遺伝子解析に欠かせない実験技術

複製はきわめて正確

例題3-2：DNAの情報量と複製のエラー率

[Biological Insights]ゲノム情報は最適化されているか

3.4　RNAへの転写

セントラルドグマ

DNA上には、転写の始まりと終わりの位置を指定する領域がある

3.5　真核生物のmRNAプロセシング

スプライシングの意義

3.6　リボソームはタンパク質合成（翻訳）の場

例題3-3：遺伝子とタンパク質の関係

演習　細胞分裂の回数

演習3-1：細胞分裂とテロメア

[Biological Insights]直鎖状DNAか環状DNAか？

演習　逆転写酵素をつかった検査法

演習3-2：遺伝子発現量の測定

[Biological Insights]新型コロナウイルスの検出方法（RT-PCR検査）

演習　ORFと制御にかかわる配列の関係

演習3-3：塩基配列の情報量

[Biological Insights]遺伝子と発現制御配列の並びは偶然（ランダム）ではない

3章　まとめ

課題　ゲノム情報の表示

課題3：遺伝情報データベースの利用

4章　細胞の構造と増殖

4.1　細胞の構造と細胞小器官

細胞小器官が存在する

例題4-1：細胞小器官の形態と物理的性質

[Biological Insights]膜系から関連を推定する

細胞骨格とモータータンパク質

4.2　細胞の分裂と増殖

細胞分裂の準備には4段階ある

細胞周期はサイクリンとCDKが制御する

細胞周期を進めてよいかのチェックポイント機構がある

細胞増殖は個体群成長などにもつながる概念である

例題4-2：細胞の増殖と競合

[Biological Insights]培養細胞集団の増殖におけるふるまい

4.3　細胞内小胞輸送

演習　空間・時間・エネルギーの階層性

演習4-1：生命の階層性

[Biological Insights]さまざまな階層、スケールを超えて共通する法則がある

演習　細胞内の反応と試験管内の反応は異なる

演習4-2：細胞内の混み合い

[Biological Insights]水溶液中とは異なる反応がみられる

演習　細胞内における生体分子の拡散と輸送

演習4-3：細胞内における生体分子の拡散と輸送

[Biological Insights]さまざまな伝達速度を使い分けている

4章　まとめ

課題　細胞内反応のモデル化

課題4：細胞周期のシミュレーション

考え方：細胞内反応を微分方程式で表す

5章　システムとしての生命の特性

5.1　生命のシステムにおけるネットワーク

5.2　遺伝子発現制御が形作るネットワークの基本形

例題5-1：転写の自己制御

例題5-2：2遺伝子の相互制御

[Biological Insights]バクテリオファージの溶原サイクルと溶菌サイクル

[Biological Insights]合成生物学

5.3　代謝制御とホメオスタシス

考え方：ネットワークモチーフ

例題5-3：転写ネットワークのモチーフ

演習　転写ネットワークとフィードバック回路

演習5-1　正と負のフィードバック回路

演習　分解を考慮した転写制御

演習5-2：転写制御のモデル

[Biological Insights]生体分子の分解

演習　分解を考慮した転写のフィードバック制御

演習5-3：転写のフィードバック制御

[Biological Insights]大腸菌は40個の自己制御の転写ネットワークをもつ

連続的な濃度効果を記述するためのヒル関数

5章　まとめ

課題　応答が早まる制御回路

課題5：インコヒーレントフィードフォワード回路による制御

6章　生命のダイナミクスとパターン形成

6.1　正のフィードバック回路を含むシステム

例題6-1：相互促進と相互抑制がつくる定常状態

考え方：アイソクライン分析

例題6-2：正のフィードバック回路のアイソクライン分析

[Biological Insights]隣接細胞間で相互抑制がみられるとどうなるか

6.2　要素の空間内移動を伴うシステム

6.3　反応拡散系

[Biological Insights]体表模様

6.4　高次の形態パターンの形成

[Biological Insights]モルフォゲンによる形態形成

演習　相互抑制の正のフォードバック回路例

演習6-1：Notch-Delta系による側方抑制

[Biological Insights]Notch-Delta系による側方抑制

演習　細胞における反応拡散系

演習6-2：2細胞のチューリングモデル

演習　初期発生におけるパターニング

演習6-3：胚のパターン形成

[Biological Insights]ショウジョウバエの体節形成原理

演習　植物ホルモンと発生・成長の調節

演習6-4：オーキシンの極性輸送と形態形成

[Biological Insights]葉や花の位置はどう決まるか

6章　まとめ

課題　ダイナミクスをシミュレーションする

課題6：チューリングパターン形成のシミュレーション

7章　マクロスケールのダイナミクス

7.1　生物間相互作用と生物群集

個体群の成長

ロトカ・ボルテラの競争系

例題7-1：競争関係の結末

[Biological Insights]共存できる条件

ロトカ・ボルテラの捕食系

現実的な捕食系

7.2　進化と系統

自然選択と適応進化

例題7-2：最適成長スケジュール

[Biological Insights]最適成長スケジュールの進化

発展：事前知識なしでの最適解探索

自然選択によらない進化：遺伝的浮動

例題7-3：ハーディ・ワインベルグ則の導出

[Biological Insights]お酒に弱い体質が証明する血縁関係

分子進化の中立説

分子系統樹

演習　変異の固定・消失

演習7：遺伝的浮動のシミュレーション

7章　まとめ

課題　数理モデルや最適化計算と生物学のさまざまな接点

課題7-1：海洋で見られるバイオマスの逆転

課題7-2：ポントリャーギンの最大化原理や動的計画法について調べてみよう

課題7-3：配列アラインメントと系統樹の作成

[Biological Insights]さまざまな系統樹作成法